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电结晶机制在金属提取工艺优化与先进储能电池界面调控中的应用
面对“双碳”策略下绿色低碳研究的迫切发展需求，金属电沉积技术理论作为高纯金属提取与高效储能电池调控的基础科学原理，其深刻认知与精准调控成为解决能源与材料领域关键问题的重要技术手段。本文系统综述了经典电结晶理论及其扩展理论在宏观尺度金属提取纯化与微观尺度储能电池调控方面的研究进展，通过衔接这些领域的共性科学问题构建了统一认知框架。文章重点分析了各理论在模型构建、动力学描述及实验验证等方面的应用差异。最后，结合新能源技术与绿色制造的发展需求，本文进一步展望了电结晶技术的未来发展方向，旨在为高纯冶金与高效储能的过程优化提供关键理论指导和创新策略。
金属电沉积是一种由电场驱动的成核与晶体生长过程[11,16,17]。该过程不仅遵循传统晶体学的基本规律，还受到电场[18,19]、界面化学[14,20,21]以及离子传输[[22],[23],[24]]等多重因素复杂耦合的影响。该过程决定了金属沉积层的形貌[[25],[26],[27]]、纯度[28,29]、沉积效率[30,31]以及稳定性[[32],[33],[34]]，这些特性从根本上影响着相关技术的经济性与可行性。过去十年间，金属电沉积技术相关研究的发表数量逐年攀升（图1）。因此，深入理解并精准调控这一复杂耦合过程，既是提升金属提取效率和储能器件性能的通用关键，也是冶金工程与储能材料领域的前沿研究焦点。
随着先进原位/工况表征技术与理论模拟[4,35,36]的深度融合，研究人员在理解电结晶机理方面取得重大突破。这一进展推动了一系列创新策略的发展，涵盖从电解质设计、界面工程到外场调控等多个维度。在金属提取领域，电结晶技术可提升金属利用效率，降低传统冶炼技术对高温和化学反应的依赖，减少水资源消耗，并促进绿色冶金工艺升级[37]。电化学储能技术对降低化石能源依赖、调节风光能源、实现大规模储能以及保障未来电力稳定传输具有重要意义。随着大规模储能系统需求日益增长，开发具有高能量密度、高安全性和环境友好性的电化学储能技术已成为当前能源领域的关键研究目标[19]。电结晶技术作为储能领域的核心反应过程，通过对沉积形貌[5,38,39]、晶面取向[27]及沉积均匀性[40]的调控，该技术从根本上决定了储能电池的循环寿命、安全性和能量密度等关键性能指标。为充分释放电结晶技术潜力，研究者通常从电解液调控[29,41,42]、电极界面工程[43,44]和外场控制[19,45,46]等方面着力优化电结晶过程。他们的目标是实现对电结晶过程的精确调控，以推动从绿色冶金到高效储能等一系列技术的实际应用。
本综述涵盖了晶体生长的经典与非经典理论，以及基于成核-生长理论模型的新技术用于改善材料结构性能的策略与案例研究。其旨在为该领域理论的深入发展与创新技术研究提供参考依据。第一部分（标题为“电结晶理论及其模型的发展——包括经典成核理论、非经典成核理论、晶体生长理论、多性向物理场耦合模型与数据驱动方法”），简要论述了晶体成核与生长的经典理论及其扩展形式，同时总结了这些理论的核心概念、特征与局限性。基于上述理论模型的基础，我们探讨了电结晶技术近期在金属提取（第3节）与储能电池（第4节）领域取得的研究进展，以推动工业发展与行业进步。最后，在本综述的第三部分（第5节），我们对金属电结晶相关未来研究进行了展望。